Science：胜利构建基于卵白

2021年7月8日讯/BIOON/---合成生物学提供了一种办法来改革细胞以执行新的功效，比方当它们检测到某种化学物时收回荧光。通常环境下，这是通过改动细胞使其表白可被某种输出触发的基因来完成的。然而，因为细胞转录和翻译需要的基因必要光阴，在检测分子等变乱和由此发生的输入之间往往有很长的滞前期。

如今，在一项新的研讨中，来自美国麻省理工学院的研讨职员开辟出一种设计此类合成电路的替代办法，它完整依赖于疾速、可逆的卵白-卵白互相作用。这象征着不必要等候基因被转录或翻译成卵白质，是以合成电路可以更快地被翻开--在几秒钟之内。相关研讨成果颁发在2021年7月2日的Science期刊上，论文题目为“An engineered protein-phosphorylation toggle network with implications for endogenous network discovery”。论文通信作者为麻省理工学院生物工程传授Ron Weiss。

论文第一作者、麻省理工学院生物工程系副研讨员Deepak Mishra说，“咱们当初有一种办法来设计在十分快的光阴标准下产生的卵白互相作用，之前没有人可能体系地开辟这种办法。咱们正在到达可能以几秒或更少的光阴标准设计任何功效的水平。”

这些作者说，这类合成电路能够用于制作情况传感器或体系，以提醒疾病状态或行将产生的变乱，如心脏病发生发火。

卵白互相作用

在活细胞内，卵白-卵白互相作用是许多旌旗灯号传导路径的紧张步调，包含那些参加免疫细胞激活和对激素或其他旌旗灯号作出反馈的旌旗灯号传导路径。这些互相作用中有许多波及一种卵白通过增加或去除称为磷酸的化学基团来激活或灭活另一种卵白。

在这项新的研讨中，这些作者使用酵母细胞来承载他们的合成电路，并创立了一个由14种卵白构成的网络，这些卵白来自包含、、动物和人类在内的物种。他们批改了这些卵白，使它们可能在网络中互相调理，以发生相应特定变乱的旌旗灯号。

他们的网络是第一个完整由磷酸化/去磷酸化卵白-卵白互相作用构成的合成电路，被设计成一种切换开关--一种可能在两个稳定状态之间疾速和可逆地切换的电路，使其可能“记住”一个特定的变乱，如打仗某种化学物。在这种环境下，靶标是山梨醇，即一种在许多生果中发现的糖醇。

一旦山梨醇被检测到，细胞就会以定位于细胞核中的荧光卵白的模式贮存对于此次裸露的影象。这种影象也会通报给将来的细胞后辈。这种电路也可以通过裸露于分歧的分子---在这种环境下，一种叫做异戊烯基腺嘌呤（isopentenyl adenine）的化学物---而被重置。

这些电路网络也可以被编程，以相应输出而执行其他功效。为了证实这一点，这些作者还设计了一个电路，它在检测到山梨醇后敞开了细胞的决裂才能。

通过使用这些细胞的年夜型阵列，他们可构建超敏锐的传感器，对低至十亿分之一的目的分子浓度做出反馈。鉴于疾速的卵白-卵白互相作用，旌旗灯号可以在短短一秒钟内被触发。使用传统的合成电路，能够必要几个小时乃至几蠢才能看到输入。Weiss说，“这种极疾速度的转换将对合成生物学的倒退和扩展能够的利用类型十分紧张。”

简单网络

这些作者在这项研讨中设计的切换网络比曩昔设计的年夜多半合成电路更年夜、更简单。一旦他们树立了它，他们想晓得是否有任何相似的网络能够存在于活细胞中。应用他们设计的一种盘算模子，他们在中发现了六个自然产生的、简单的切换网络，这在曩昔是从未见过的。

一种新型的合成生物电路可以在几秒钟内启动，比同类产物快得多。图片来自Massachusetts Institute of Technology。

Weiss说，“咱们没想过来寻觅这些切换网络，由于它们不是直观的。它们纷歧定是最佳的或优雅的，但咱们确切发现了此类切换开关行动的多个例子。这是一种新的、受工程启迪的办法，用于发现生物体系中的调理网络。”

这些作者如今愿望应用他们基于卵白的电路来开辟可用于检测情况净化物的传感器。另一个潜在的利用是在哺乳植物细胞外部署定制的卵白网络，作为人体的传感器，检测异常的荷尔蒙或血糖程度。从久远来看，Weiss假想设计的电路通过编程进入人体细胞，以申报药物适量或行将产生的心脏病发生发火。

他说，“在这种环境下，细胞将信息申报给一个电子设备，这个电子设备会向病人或大夫收回警报，而这个电子设备也会有一个化学贮存库，可以对消对体系的冲击。”（100医药网 100yiyao.com）

参考材料：

Deepak Mishra et al. . Science, 2021, doi:10.1126/science.aav0780.

Boris N. Kholodenko et al. . Science, 2021, doi:10.1126/science.abj5028.